水電站引水建筑物

《水電站》第四章水電站引水建筑物功用：集中落差，形成水頭，輸送水量到水輪機(jī)。也用作尾水渠，將發(fā)電以后的水排到下游河道。類型:

無壓引水道：渠道(channel)、無壓隧洞(freeflowtunnel)。具有自由水面，引水道承受的水壓力不大。適用于無壓引水電站。有壓引水道：有壓隧洞(pressuretunnel)。洞中水流為壓力流，隧洞承受內(nèi)水壓力很大。適用有壓引水電站第一節(jié)渠道水電站的引水渠道稱為動(dòng)力渠道(為適應(yīng)負(fù)荷變化，Q、H在不斷變化——非恒定流)一、渠道的要求和類型1、要求：有足夠的輸水能力。按水電站的Qmax設(shè)計(jì)。水質(zhì)要符合要求。渠道進(jìn)口、沿線及渠道末端都要采取攔污、防沙、排沙措施。運(yùn)行安全可靠防沖、防淤：渠道內(nèi)水流速度：V淤<V設(shè)<V沖；對(duì)渠道加設(shè)護(hù)面，可減小糙率、防滲、防沖、防草、維護(hù)邊坡穩(wěn)定，保證電站出力；防草：維持渠道水深大于1.5m及流速大于0.6m/s；防凌：尤其是北方地區(qū)。結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，便于施工及運(yùn)行2、類型非自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道渠頂大致平行渠底，渠道的深度沿途不變，在渠道末端的壓力前池中設(shè)溢流堰。適用：引水道較長(zhǎng)，對(duì)下游有供水要求。溢流堰作用：限制渠末水位；保證向下游供水。當(dāng)水電站引用流量Q=Qmax，壓力前池水位低于堰頂；Q<Qmax,水位超過堰頂,開始溢流；Q=0時(shí)，通過渠道的全部流量泄向下游。自動(dòng)調(diào)節(jié)渠道渠道首部和尾部堤頂?shù)母叱袒鞠嗤?，并高出上游最高水位，渠道斷面向下游逐漸加大，渠末不設(shè)泄水建筑物。適用：渠道不長(zhǎng)，底坡較緩，上游水位變化不大的情況。水電站引用流量Q=0時(shí)，渠道水位是水平的，渠道不會(huì)發(fā)生漫流和棄水現(xiàn)象；Q<Qmax時(shí)為雍水曲線。Q=Qmax為降水曲線。渠道類型3、渠道的線路選擇渠線應(yīng)盡量短而直，以減小水頭損失，降低造價(jià)。需轉(zhuǎn)彎時(shí)，有襯砌渠道的轉(zhuǎn)彎半徑宜不小于渠道水面寬度的2.5倍，無襯砌的土渠宜不小于水面寬度的5倍。應(yīng)選擇地質(zhì)條件較好的地段渠線應(yīng)盡量提高，以獲得較大的落差。避免深挖高填。二、渠道的水力計(jì)算

主要任務(wù)：根據(jù)設(shè)計(jì)流量，選定斷面尺寸、糙率、縱坡、和水深。(1)恒定流計(jì)算：確定底坡、橫斷面尺寸。(2)非恒定流計(jì)算計(jì)算電站丟棄負(fù)荷時(shí)渠道涌浪(最高水位),確定堤頂高程。計(jì)算電站增加負(fù)荷時(shí)渠道涌波(最低水位)，確定壓力管道進(jìn)口高程。水電站按日負(fù)荷圖工作時(shí)，渠道中水位及流速變化過程，以研究水電站的工作情況。渠道的橫斷面

與渠底中心線垂直的鉛垂平面與渠底及側(cè)壁的交線構(gòu)成明渠的橫斷面。天然河道的橫斷面多為不規(guī)則形狀人工渠道的橫斷面形狀比較規(guī)則，常見的有梯形、矩形、U型，圓形、馬蹄形等。對(duì)梯形斷面過水?dāng)嗝鏉裰芩鎸挾让髑鶆蛄鞯挠?jì)算公式一、基本計(jì)算公式：①謝才公式基于明渠水流資料獲得的經(jīng)驗(yàn)公式②連續(xù)方程

1769年謝才（A.Chezy）

總結(jié)了一系列渠道水流實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,提出明渠均勻流流速與流量的經(jīng)驗(yàn)公式－謝才公式，以后又有確定謝才系數(shù)的滿寧公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。對(duì)于明渠均勻流，A

為過水面積，則式中，為流量模數(shù)

綜合反映斷面形狀、尺寸、水深、糙率對(duì)過水能力的影響。物理意義：水力坡度為1時(shí)的流量（當(dāng)i=1時(shí)，Q=K）。單位：（m3/s）謝才系數(shù)C

反映斷面形狀、尺寸和邊壁粗糙程度的一個(gè)綜合系數(shù)。常用曼寧公式計(jì)算R：水力半徑，以米（m）計(jì)n：糙率16因此，在i、n已定條件下，（1）水力最佳斷面底坡i：

根據(jù)地形條件、技術(shù)條件考慮選定糙率n：取決于渠壁材料斷面形狀和尺寸（斷面形狀和尺寸）

水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面的一般條件均勻流算公式當(dāng)i、n、A=給定→minR→RmaxQ→Qmax

消去，則式中，βm

為梯形最佳斷面的寬深比

渠道的允許流速是根據(jù)渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù)(如通航、水電站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性質(zhì)，水流含沙量的多少及運(yùn)行管理上的要求而確定的技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的流速。

（2）允許流速保證渠道正常運(yùn)行的允許流速上限和下限值1、不沖流速v’

渠道沖刷的臨界斷面平均流速，取決定于渠壁材料的物理性質(zhì)和水深，可查閱有關(guān)水力設(shè)計(jì)手冊(cè)。

不淤流速v’’

渠道中懸沙淤積的臨界流速，取決于水流條件和挾沙的特性以及水中含沙量大小，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。

由均勻流公式式中，有6個(gè)變量（含Q）（1）計(jì)算方法

明渠均勻的水力計(jì)算步驟式中，共有六個(gè)變量（含Q）邊坡系數(shù)m和糙率n

一般根據(jù)土質(zhì)、或襯砌材料用經(jīng)驗(yàn)法確定水力計(jì)算任務(wù)給定Q、b、h、i中三個(gè)，求解另一個(gè)（2）計(jì)算類型

一類是對(duì)已建成的渠道。根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行要求，進(jìn)行某些必要的水力計(jì)算。如校核已成渠槽的輸水能力，即已知渠道的斷面形狀尺寸、水深、底坡、粗糙系數(shù)，求渠道能通過的流量；或者對(duì)某段渠道測(cè)定流量，計(jì)算粗糙系數(shù)。一般都可直接計(jì)算。另一類是設(shè)計(jì)新渠槽。主要有下列情況：①已知流量、斷面形狀尺寸、水深以及粗糙系數(shù)，要求確定渠道的底坡。②已知流量、底坡、粗糙系數(shù)，要求確定渠道的斷面尺寸。一般要進(jìn)行試算求解。

試算求解方法：1）試算——圖解法以求正常水深為例來介紹試算法。試算法的主要內(nèi)容是：假設(shè)若干個(gè)水深值，代入基本公式計(jì)算相應(yīng)的流量值。若所得的值與已知流量相等，則這個(gè)相應(yīng)的值即為所求，否則，繼續(xù)試算，直到算到與已知流量相等為止。在實(shí)際試算過程中，為了減少試算工作量，常常假設(shè)3～5個(gè)水深值，求出3～5個(gè)相應(yīng)的流量值，這些求出的流量值必須把已知流量值包含在中間。然后，繪出曲線，利用該曲線可確定出與已知流量相對(duì)應(yīng)的水深值，即在曲線上根據(jù)已知流量值對(duì)應(yīng)地查出值，該值即為所求。2）查圖法由于試算法工作量大，比較繁瑣。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，工程中已制成了許多圖，已備查用，見附圖Ⅰ、Ⅱ。查圖法的優(yōu)點(diǎn)是不用內(nèi)插；缺點(diǎn)是查曲線圖費(fèi)視力，同時(shí)，因圖幅小，圖中曲線的某些部分精度差甚至查不出。因此，為保證查圖結(jié)果的可靠，一般可將查圖結(jié)果再回代檢驗(yàn)。3）電算解法電算解法具有速度快，精度高，應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工作中正在逐步普及。電算解法根據(jù)其計(jì)算方法常用的有二分法、牛頓法、迭代法。例一電站已建引水渠為梯形斷面，m=1.5，底寬b=35m，n=0.03，i=1/6500，渠底到堤頂高程差為3.2m，電站引水流量Q=67m3/s。因工業(yè)發(fā)展需要，要求渠道供給工業(yè)用水。試計(jì)算超高0.5m條件下，除電站引用流量外,還能供給工業(yè)用水若干？b3.2超高m=1.5渠中水深過水?dāng)嗝?/p>

濕周水力半徑謝才系數(shù)流量保證電站引用流量下，渠道還可提供用水量：77.4－67.0=10.4m3/s29

設(shè)計(jì)新斷面：已知Q、i、n，b、m，即已知底寬求水深h

，需試算求解將代入并整理得式中，Q、b、m、n及i已知，h為待求量。上式含h的高次隱函數(shù)，不可直接求解30渠堤高度：h+超高=3.3+0.5=3.8m解

將b、i、m代入化簡(jiǎn)計(jì)算過程

例一梯形斷面，m=1.0，漿砌石砌護(hù)n=0.025，i=1/800，b=6.0m，設(shè)計(jì)流量70m3/s，確定堤頂高度（超高0.5m）第二節(jié)隧洞一、發(fā)電隧洞類型從功用上劃分：分為引水隧洞和尾水隧洞；從工作條件劃分：分為有壓隧洞和無壓隧洞。發(fā)電引水隧洞多數(shù)是有壓的，尾水隧洞則以無壓洞居多。二、發(fā)電隧洞路線選擇綜合考慮進(jìn)水口、調(diào)壓室、壓力管道以及廠房的位置，在認(rèn)真勘測(cè)的基礎(chǔ)上擬定不同的方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。三、隧洞布置的總原則洞線短、彎道少，沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件要好，并便于布置施工平洞。(1)地形條件好 (2)地質(zhì)條件好(3)施工條件好 (4)水力條件好四、隧洞的設(shè)計(jì)水力計(jì)算1斷面尺寸2襯砌設(shè)計(jì)3水工隧洞的構(gòu)造41、發(fā)電隧洞水力計(jì)算恒定流計(jì)算：研究隧洞斷面、引用流量及水頭損失之間的關(guān)系，以便確定隧洞尺寸。與渠道計(jì)算相同非恒定流計(jì)算：1)求隧洞沿線最大內(nèi)水壓力，以確定襯砌設(shè)計(jì)水頭；2)求隧洞沿線最小內(nèi)水壓力線，洞頂各點(diǎn)高程應(yīng)在最低壓坡線之下，并有1.5～2.0m壓力余幅，保證洞內(nèi)不出現(xiàn)負(fù)壓。有壓隧洞要避免出現(xiàn)無壓/有壓的工作狀態(tài)；無壓隧洞工作條件與渠道相似，水力計(jì)算內(nèi)容也相同。2、發(fā)電隧洞的斷面尺寸1．?dāng)嗝嫘褪接袎核矶矗簣A形斷面。無壓隧洞：城門洞形—地質(zhì)條件良好時(shí)；

馬蹄形—洞頂和兩側(cè)圍巖不穩(wěn)時(shí)；

高拱形—洞頂巖石很不穩(wěn)定時(shí)采用。2．?dāng)嗝娉叽纾簞?dòng)能經(jīng)濟(jì)比較法和經(jīng)濟(jì)流速法。原理與渠道相同。隧洞照片第三節(jié)壓力前池與日調(diào)節(jié)池壓力管道進(jìn)水口壓力前池廠房一、壓力前池壓力前池設(shè)置在引水渠道或無壓隧洞的末端，是水電站引水建筑物與壓力管道的連接建筑物。

1、作用：(1)平穩(wěn)水壓、平衡水量。(2)均勻分配流量。(3)渲泄多余水量。(4)攔阻污物和泥沙。2、組成：(1)前室(池身及擴(kuò)散段)。(2)進(jìn)水室及其設(shè)備(3)泄水建筑物。(4)放水和沖沙設(shè)備。(5)攔冰和排冰設(shè)備。壓力前池組成建筑物壓力前池組成建筑物前室(池身及擴(kuò)散段)。其作用是將渠道斷面擴(kuò)大并過渡到進(jìn)水室所需的寬度和深度，減緩流速，便于沉沙，并形成一定容積。前室末端底板高程應(yīng)比進(jìn)水室底板高程低(0.5～1.0)m，形成攔沙檻。為了縮短前室漸變段長(zhǎng)度，可在前室首部中間設(shè)分流墩。當(dāng)渠道軸線與壓力管道軸線不一致時(shí)，可用平緩的連接曲線和加設(shè)導(dǎo)流墻。分流墩與導(dǎo)流墻進(jìn)水室及其設(shè)備通常指壓力管道進(jìn)水口部分，常采用壓力墻式進(jìn)水口。進(jìn)水口處應(yīng)設(shè)閘門及控制設(shè)備、攔污柵、通氣孔等設(shè)施。其布置與有壓進(jìn)水口相似。泄水建筑物渲泄多余水量，防止前池水位漫過堤頂，并保證向下游供水。泄水建筑物一般包括溢流堰、陡槽和消能設(shè)施。溢流堰應(yīng)緊靠前池布置，形式為正堰或側(cè)堰。堰頂一般不設(shè)閘門，水位超過堰頂時(shí)自動(dòng)溢流。

放水和沖沙設(shè)備。從引水渠道帶入的泥沙將在前池底部沉積，需在前池的最低處設(shè)置沖沙道，并在其末端設(shè)有控制閘門，以便定期將泥沙排至下游。沖沙道可布置在前室的一側(cè)或在進(jìn)水室底板下設(shè)沖沙廊道。尺寸一般不小于1m2

。攔冰和排冰設(shè)備。排冰道只在北方嚴(yán)寒地區(qū)才設(shè)置，排冰道的底板應(yīng)在前池正常水位以下，并用疊梁門進(jìn)行控制。3、壓力前池的布置應(yīng)結(jié)合整個(gè)引水系統(tǒng)及廠房布置進(jìn)行全面和綜合考慮。前池整體布置時(shí)，應(yīng)使水流平順，水頭損失最少，以提高